虛實混合在生物學實驗教學中的應用及效果評價

張保石，賈曉梅，苗曉燕

（保定學院 生物化工與環境工程學院，河北 保定 071000）

虛擬實驗具有開放性、交互性、便捷性、利用率高、易維護等優點，在教學中可以代替高成本、高危、高復雜程度的實驗，可以實現異地使用和資源共享［1］，且注重學生創新和實踐能力的培養，在國內教育領域，特別是高校中的應用越來越受到重視，成為強化實驗室建設、改革實驗教學手段的重要發展方向。《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》提出，推進信息技術與教學深度融合。建設智能化教學環境，提供優質數字教育資源和軟件工具，利用信息技術開展啟發式、探究式、討論式、參與式教學，鼓勵發展性評價，探索建立以學習者為中心的教學新模式［2］。近年來，國內的許多高校根據自身科研和教學的需求建立了虛擬實驗室。2017年，教育部辦公廳發布了《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》［3］，對高等教育中應用虛擬仿真實驗教學起到了良好的推動作用［4］。

生物學是以實驗為基礎的學科，在專業培養方案中，生物實驗是極其重要的一部分。實驗設計、操作、觀察和探究等環節對學生掌握生物學知識、科學探究方法和培養學生實踐創新能力具有重要的作用。高校生物專業的實驗類型有驗證性、設計性、綜合性實驗，其內容包含操作技能、創新思維、科研能力的培養。有的內容可通過傳統的實驗滿足，但是有的內容由于危險系數過高、課堂時間有限、環境條件制約、設備不足、實驗現象不明顯、學生實驗操作能力不足等原因，使得學生難以進行多次重復的實驗或實驗難以達到理想的效果，因此學生實踐創新能力的有效提升受到了一定的制約。而利用虛擬實驗可以解決常規方法難以解決的疑難問題，學生能夠模擬操作一些真實環境中難以實施的實驗，讓學生參與到設計實驗、選擇實驗用具、實施實驗、收集數據、改進升華、總結分析和得出結論等實踐環節中，在實踐過程中逐步培養和提高學生的實踐創新能力。

近年來，線上線下相結合的教學方式進一步推動了虛擬實驗在教學中的應用，因此在生物實驗中根據“虛實混合”的原則，將虛擬實驗應用于教學實踐，初步探討其應用效果。

一、研究設計

（一）研究對象

選取保定學院生物科學專業三年級學生共81人作為研究對象，調查學生和授課教師進行虛實混合式學習與教學的開展情況。

（二）研究方法

教學效果評價是反映教學模式質量的關鍵要素，為了客觀地體現虛實混合的教學效果，應用和評價設定來自學業成績、過程表現、效能感知和情感體驗等四個方面，學業成績和過程表現由進行虛實混合教學的主講教師提供，計算平均成績；效能感知、情感體驗和過程表現通過學生問卷調查、訪談和教師課堂觀察獲得。

1.問卷調查法。針對學生的效能認知和情感體驗評價設置了調查問卷。效能認知分為協作能力、自主學習能力、創新性思維能力、獲取處理信息能力、實驗探究能力、歸納分析能力等六個維度；情感體驗主要考查學生的滿意度和興趣。在虛實混合實驗開始前和結束后分別對參與混合式教學模式的學生進行問卷調查，以評價虛實混合教學模式對學生實踐技能和學習興趣的影響。

2.訪談法。為了解教師對虛實混合實驗教學的看法、虛實混合教學實施情況、教學實踐過程中存在的問題和學生在科學探究過程中的表現等問題，需與實驗任課教師依據訪談提綱進行訪談調查。

3.課堂觀察法。為了解學生在課堂教學過程中的表現情況、判斷學生科學探究能力的發展情況，在實驗預習、實驗探究、討論總結教學環節中對學生的行為進行觀察，并依據觀察結果對學生表現與指標的符合程度進行評價，分為非常符合、基本符合、一般、不符合、非常不符合等五項。

二、結果與分析

（一）虛擬實驗的開展情況

學生專業實踐場所包括專業實驗室和虛擬仿真實驗室。受現實情況影響，2020—2022年應用虛擬實驗頻率增加，主要集中于高年級的專業模塊課程和拓展課程，如“現代生物技術綜合實驗”“發酵工程和現代生物儀器分析”等，而在2019年之前僅設立3個虛擬實驗內容，數量上差別明顯（見表1）。

表1 虛擬實驗實施安排表

虛實混合的實驗教學借助已有的軟件或公司的在線虛擬仿真實驗項目，選定部分實驗進行虛擬實驗環節設計。例如：現代生物技術綜合實驗的內容包括前后連續的六個實驗：PCR法制備目的DNA、質粒載體的制備、限制性內切酶酶切實驗、目的DNA與載體連接、重組質粒DNA的轉化、瓊脂糖凝膠電泳的檢測。

虛實混合的實驗設計主要包括線上自主學習、模擬操作、現實實驗活動、完成實驗報告等四個環節。教師將需要學習的實驗知識要點文檔、操作要點視頻、PPT和教學大綱等資料在授課前一周上傳至學習通平臺或提供相應的鏈接，督促學生在線預習，熟悉實驗目的、原理、內容和步驟，在此基礎上進行模擬操作，虛擬實驗可以多次反復進行，直至出現正確結果，再在線下完成相應實驗。實驗報告要求內容完整，著重分析實驗現象或結果。

（二）成績分析

學習成績是評價學生知識掌握情況的核心指標，分為虛擬實驗平臺的數據分析結果和過程性評價：實驗報告寫作（10%）、虛擬實驗平臺記錄（10%）、實驗操作（30%）、實驗分析和創新實驗設計（50%）。虛實混合實驗課程的平均分為80.04～85.87，優良率（≥80 分）為76.04%～79.23%，及格率為100%，課程指標達成度均在70%以上，反映出學生較好地掌握了實踐技能，而且進一步開展了設計、操作、分析、歸納等高階思維操作環節，從而實現了實踐內容與創新思維的有機融合，為科研能力的進一步發展奠定了基礎。

（三）課堂觀察

在進行實驗學習的過程中，學生表現積極主動，能夠根據教師的要求預習并完成實驗，學生可隨時利用移動終端的虛擬實驗平臺進行反復學習，主動學習的意識和能力不斷提升。在實驗學習環節中，學生在學期初提出的假設和制訂的實驗方案有所欠缺，到學期末，大部分學生能夠通過合作和小組交流，利用虛擬仿真實驗提出猜想和假設制訂較為完整的實驗方案。學期初和學期末學生回答問題的積極性與參與度均較高，差異不明顯。學生在學期初存在實驗儀器操作不規范、不熟練的現象，到學期末有85%以上的學生能夠熟練、規范操作實驗儀器并獲取實驗數據，特別是使用過虛擬實驗的學生，通過反復多次觀看和演練實驗操作要點，其操作能力顯著提高。在互動環節，學期初學生小組成員之間能夠進行交流合作，到學期末進一步加強了合作能力。在歸納總結階段，學期初大部分學生認為實驗報告描述出結果即可，較少對實驗進行反思和改進，在學期末學生強化了反思意識，對實驗過程、結果、成敗原因進行了反思并嘗試改進實驗。經過課堂觀察發現，學生經過一學期的學習，在科學探究能力等方面有了明顯提高。隨著虛實混合實驗教學的推進，學生逐漸主動參與實驗探究，提高了科研探索的興趣。

（四）效能感知

前測和后測各發放問卷81份，收回有效前測和后測問卷均為75份。由學生前測和后測數據對比可知，6個子能力的后測值與前測值相比均有所提高，并且學生的自主學習能力、假設能力、設計實驗和制訂方案能力、歸納分析能力的前測與后測數據之間存在顯著差異；獲取、處理信息能力和團結協作能力差異不顯著。大部分學生認為虛實混合的教學模式明顯提高了發現和解決問題的能力，對創新實驗設計和科研有啟發作用。在交流反饋階段，通過教師對學生優秀實驗設計的點評和其他學生的建議，引導對科研感興趣的學生修改完善實驗設計，并鼓勵他們參與教師的科研課題，鍛煉科研思維能力。鼓勵和幫助學生展示成果、積極申報大學生創新創業訓練項目，有效培養學生的創新思維和動手能力。據統計，2021—2022年該專業學生創新創業項目獲得國家級立項3項、省級立項5項，15次獲得大創比賽獲獎，實踐能力得到了有效提升。

（五）情感分析

調查問卷涉及滿意度和興趣兩個方面，共10道題。從參與虛實混合教學模式的學生反饋來看，85%以上的學生滿意這種混合式教學方式和內容，認為虛擬仿真和現實實驗結合的內容設置合理，虛擬實驗平臺時間靈活、教學效果好。學生認為實驗教學中應用虛擬仿真項目能夠促進課前預習，提供更多的學習資料，可以針對重點和難點在課前、課后進行反復練習，有助于學生主動學習能力的培養和實驗技能的提升。通過線上虛擬仿真和線下實驗操作相結合，使學生在實驗操作前完成相關理論知識和虛擬操作，大大增加了學生參與線下實驗操作的積極性，培養了學生開展科研實驗的熱情。調查問卷結果顯示，90%以上的學生對生物實驗感興趣，愿意開展虛實混合的實驗教學方式。可見，虛實混合符合大部分學生的內在需求，獲得了多數學生的認可，帶來了良好的學習體驗。同時，學生提出虛擬實驗的內容和操作方式還需要進一步改進。

三、結論與建議

（一）虛擬仿真實驗利于學生深度參與實驗

實驗教學是生物教學的重要組成部分，在培養大學生的實踐技能、創新能力及科研素質等方面起到了非常重要的作用。教師將實驗教學內容在課前通過學習通等學習平臺發放給學生并隨機分組進行討論，學生在課前能夠深入了解實驗課的主要內容，帶著疑問自主搜索相關信息，自主設計實驗驗證并解決問題。通過虛擬仿真項目，課前模擬實驗相關內容，初步掌握實驗操作及實驗原理。課上以小組為單位進行實際實驗探究，并結合虛擬實驗和現實實驗的現象，對出現的問題進行生生、師生探討，升華實驗設計，完善實驗分析和結果，有效增強學生的成就感，激發學生的科研興趣，開闊科研視野，也有助于教師提高實驗教學時間的利用效率。

（二）虛實混合實驗教學有效地培養了學生的科研思維和動手能力

大部分學生對混合式教學表示滿意，認為課程設置合理，學習目標明確，理論知識內化效果好，實驗操作能力有明顯提高，加深了課堂教學參與度，學習后有收獲，能夠掌握基本的實驗技能和科研技能，發現問題和解決問題的能力明顯提高，對創新實驗設計和科研有啟發作用。實驗操作主要顯示了學生的動手能力、理論知識的掌握和應用。從調查結果來看，學生實驗成績優良率高，學生對理論知識的把握、實驗過程的熟悉度均表現良好，可見課前的線上學習及虛擬仿真實驗模擬操作十分必要。

（三）虛實混合實驗教學有助于提高學生的協作和溝通表達能力

實驗教學提倡探究發現式教學方法，不僅著重于學生實驗技能和科研思維能力的提升，也有效鍛煉了學生的語言表達能力、溝通能力、邏輯思維能力，而且教師組織并推動學生針對預先設置的開放性問題進行組內討論和組間討論，能夠較好地增強學生的團隊意識，在團隊合作中提升自身價值。通過虛與實的結合、線上與線下的交互，學生才能更深刻地理解實驗的操作要點，并且通過線下實驗操作更好地樹立科研思維，加之師生之間面對面的討論交流，激發了學生的靈感，有利于進一步培養學生主動探究、創新的意識，確保了人才培養中創新能力持續提升。

（四）虛實混合實驗教學需要進一步優化

一是優質學習資源需要進一步開發。目前虛擬仿真實驗項目有限，開展的教學活動還不夠豐富，需要學院進一步建設虛擬實驗資源。二是教師的教學設計需要進一步提升。例如，如何高效地銜接虛擬和現實實驗內容的設置與時間安排，怎樣進一步增加教學互動、提升教學質量等。

為了達到預想中的學習效果，在今后的教學實踐中，要完善虛實混合式實驗教學模式的評價體系并及時解決疑難問題，督促學生更深入地學習，同時對學生進行分層輔導，對具有科研潛質的學生加以督促，達到培養創新型人才的目的。